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Aufgaben zur Überprüfung
des Kompetenzerwerbs im Bereich Wärmelehre
Stand: 03.07.2019
Schulart Realschule
Jahrgangsstufen 9
Fach Physik
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
verwenden das Teilchenmodell und ihre Kenntnisse über Schmelz- und Verdamp- fungsenergie, um Aggregatzustandsänderungen im Alltag zu veranschaulichen und quantitativ zu betrachten. (Kompetenzerwartungen 9 I)
wenden das Teilchenmodell an, um die Abhängigkeit der Erstarrungs- und Siedetem- peratur von Flüssigkeiten zu erklären und übertragen dieses Wissen auf Situationen aus dem Alltag. (Kompetenzerwartungen 9 I)
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Aufgaben
Aufgabe
In einem Reagenzglas befindet sich ein erstarrtes Salz, in dem sich ein Temperatur- messfühler befindet. Mit einem Messwerterfassungsprogramm wird die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.
Durch konstante Zufuhr von Energie wird das System erwärmt. In gleichmäßigen Ab- ständen werden automatisch die Zeit und die Temperatur gemessen.
1.
Die graphische Darstellung der gewonnenen Messwerte des Versuchs ist in folgendem Diagramm dargestellt:
graphische Auswertung
Bestimme aus dem Diagramm sowohl den Zeitpunkt 𝑡1 bei dem das Salz zu schmelzen beginnt, als auch den Zeitpunkt 𝑡2 der vollständigen Schmelze.
Seite 3 von 9 2.
Dem System wird ständig gleichmäßig Energie zugeführt.
Beschreibe den Zustand des Salzes in Abhängigkeit von der zugeführten Energie.
Formuliere drei Sätze nach folgendem Schema:
„Bis zum Zeitpunkt 𝑡1 wird die zugeführte Energie verwendet, um ...“
3.
Ermittle zeichnerisch die Schmelztemperatur des verwendeten Salzes.
(4. Erweiterung)
Nach 840 s endet die Energiezufuhr und die flüssige Salzschmelze kühlt zunächst lang- sam an der Luft ab. Zum Zeitpunkt 𝑡 = 980 𝑠 wird das Reagenzglas mit der Schmelze vorsichtig in ein Kühlbad gestellt. Dabei kühlt die Schmelze unter die Schmelztemperatur ab, bleibt aber immer noch flüssig. Man spricht von einer unterkühlten Flüssigkeit.
graphische Auswertung
Zum Zeitpunkt t = 1120 s wird der unterkühlten Flüssigkeit ein (festes) Salzkristall (Kris- tallisationskeim) zugegeben und die Flüssigkeit erstarrt. Obwohl nach wie vor keine Energie zugeführt wird ist ein schneller Temperaturanstieg bis zum Schmelzpunkt zu erkennen (und auch zu spüren).
Begründe den Temperaturanstieg.
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Nenne eine (bei Wintersportereignissen für frierende Zuschauer sehr angenehme) An- wendung dieses Phänomens.
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Grundlegende Überlegung zu den Aufgaben:
Aufgabe - Hinweise
Im dargestellten Versuch wurde Natriumthiosulfat (Fixiersalz – trägt keine Gefahrstoff- kennzeichnung) verwendet. Ein Salz, dass sich sehr leicht in eine unterkühlte Flüssigkeit umwandeln lässt.
Aufgaben 1 und 2:
Der Schwierigkeitsgrad dieser Aufgabe hängt einzig vom vorangegangenen Unterricht ab. Im, für die Schülerin, den Schüler, einfachsten Fall wurde der Versuch so oder so ähnlich bereits im Unterricht durchgeführt.
Ansonsten liegt u.U. eine Transferleistung vor, die dann sicherlich anders zu bewerten sein wird.
Aufgabe 3:
Hier handelt es sich um eine Arbeit mit dem Diagramm. Dies eröffnet natürlich auch die einer Frage nach dem untersuchten Stoff. Dazu kann folgendes mit abgedruckt werden:
Material Schmelztemperatur in °C
Wasser 0
Kochsalz 801
Natriumthiosulfat 48,5
Eisen 1536
Aluminium 660,32
Motorbenzin ca. -40
Kerzenwachs ca. 50
Nitroglycerin 2
Zucker 160
Aufgaben 4 und 5:
Werden von den Schülern nur dann abverlangt werden können, wenn dieser Versuchs- teil demonstriert oder zumindest entsprechend thematisiert wurde, liefert aber sehr schöne Ansätze für energetische Betrachtungen.
Ausblick – Anschlussmöglichkeiten:
Ein Analogon zur unterkühlten Flüssigkeit stellt die überhitzte Flüssigkeit dar – ein nicht zu unterschätzendes Sicherheitsrisiko bei der Erwärmung von Flüssigkeiten (z.B. im La- bor/Chemieunterricht).
Sehr reines Wasser kann in einer entsprechend reinen Umgebung bis auf 110°C erhitzt werden, ohne dass sich Gasblasen bilden (Siedeverzug). Nun kann schon durch geringe Erschütterungen das Wasser schlagartig zum Sieden gebracht werden. Es bildet sich eine große Dampfblase, die explosionsartig aus dem Gefäß entweicht. Dabei kann diese
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Erwartungshorizont
Aufgabe Teilaufgabe 1.
graphische Auswertung
Das Salz ist bis zum Zeitpunkt 𝑡1 = 220 𝑠 ein reiner Festkörper – ab jetzt beginnt das Salz zu schmelzen.
Ab 𝑡2 = 675 𝑠 ist das komplette Salz geschmolzen.
Teilaufgabe 2.
Bis zum Zeitpunkt 𝑡1 = 220 𝑠 wird die zugeführte Energie verwendet um das feste Salz (den Festkörper) zu erwärmen.
Vom Zeitpunkt 𝑡1 = 220 𝑠 bis zum Zeitpunkt 𝑡2 = 675 𝑠 wird die zugeführte Energie ausschließlich dafür verwendet das feste Salz (den Festkörper) zu schmelzen.
Ab dem Zeitpunkt 𝑡2 = 675 𝑠 wird die zugeführte Energie verwendet um das flüssi- ge Salz (die Flüssigkeit) zu erwärmen.
Seite 8 von 9 Teilaufgabe 3.
graphische Auswertung
Aus dem Diagramm: 𝜗𝑆 = 49 °𝐶
Teilaufgabe 4.
Durch die Zugabe eines (festen) Salzkristalls liegt nun ein Kristallisationskeim vor. Die Schmelze beginnt sehr schnell auszukristallisieren. Die vorher für den Schmelzvorgang benötigte (und in das System hineingesteckte) Energie wird dabei wieder frei und er- wärmt das Gemenge bis in die Nähe des Schmelzpunktes.
Teilaufgabe 5.
Wärmekissen, die zur Regeneration so lange in heißes Wasser gelegt werden müssen, bis der Inhalt wieder komplett flüssig geworden ist.
Bei „Wärmebedarf“ wird ein „Clips“ im Inneren gedrückt. Dies soll dazu führen, dass die Schmelze erstarrt und dabei Wärme an die Umgebung abgibt.
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Quellen und Literaturangaben
Bilder: ISB 2018 (c) ISB – 2018
